KR100370436B1 - 방전가공기 전극선용 동(Ｃｕ)-아연(Ｚｎ)-세리움(Ｃｅ), 란탄(Ｌａ), 니오디미움(Ｎｄ), 프로메티움(Ｐｒ) 합금 - Google Patents

방전가공기 전극선용 동(Ｃｕ)-아연(Ｚｎ)-세리움(Ｃｅ), 란탄(Ｌａ), 니오디미움(Ｎｄ), 프로메티움(Ｐｒ) 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방전가공기 전극선용 동(Cu)-아연(Zn)-세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프로메티움(Pr) 합금에 관한 것으로, 그 목적은 선재를 만드는 냉간인발 공정중에서 중간 소둔열처리시에 재결정립의 성장을 억제시켜 지속적으로 결정립을 미세하게 유지하여 강도와 인성을 향상시키며, 아연(Zn)의 함량을 40% 이상으로 높임으로써 절삭속도가 기존의 황동 2 종(65%Cu-35%Zn)에 비하여 월등히 개선하여 절삭시 과열에 의한 피절삭면의 변색의 방지나 표면조도를 개선하여 상품성을 높일 수 있는 방전가공기(Energy Discharge Machine : EDM) 전극선용 동(Cu)-아연(Zn)-세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프로메티움(Pr) 합금을 제공하는데 있다.
본 발명의 합금은 방전가공 전극선용 합금에 있어서, 41 ∼ 45.0 wt%(중량 백분율)아연(Zn)과, 총합량의 범위를 0.05 ∼ 2.0 wt%(중량 백분율)로 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr)을 혼합한 복합금속상태의 미쉬메탈과, 나머지는 구리(Cu)로 조성된 것을 특징으로 하는 방전가공기 전극선용 동(Cu)-아연(Zn)-세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프로메티움(Pr) 합금을 요지로 한다.

Description

방전가공기 전극선용 동(Ｃｕ)-아연(Ｚｎ)-세리움(Ｃｅ), 란탄(Ｌａ), 니오디미움(Ｎｄ), 프로메티움(Ｐｒ) 합금{Cu-Zn-Ce, La, Nd, Pr alloys for EDM(Energy Discharge Machine) wire}
본 발명은 방전가공기(Energy Discharge Machine : EDM) 전극선용 동(Cu)-아연(Zn)-세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프로메티움(Pr) 합금에 관한 것으로, 자세하게는 동(Cu)-아연(Zn) 황동합금에서 일반 황동합금보다 아연의 함량을 40% 이상으로 향상시키고, 여기에 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프로메티움(Pr) 성분들로 합성된 미쉬메탈을 첨가함으로써 주괴제조 과정에서 응고시 응고핵으로 작용하여 균일 미세한 주상정을 형성시킴으로써, 이러한 접종효과에 의해 형성된 균일 미세한 응고조직은 열간 및 냉간 가공성을 개선하고, 높은 아연(Zn)의 함량으로 절삭속도를 개선할 수 있도록 한 방전가공 전극선용 합금에 관한 것이다.
일반적으로 와이어 방전가공은 수중에서 황동 세선의 와이어 전극과 피삭물간의 방전으로 발생하는 열에너지를 이용하여 공작물을 절단가공하는 방법으로, 주로 복잡한 형상으로 절단 가공하려는 금형이나 기계부품 등의 제조에 사용되고 있다.
최근에는 금속뿐만 아니라 도전성이 있는 것이라면 다이아몬드, 초경합금 또는 세라믹스 등과 같이 난가공성 재료의 가공에도 정밀성이 높아서 확대 보급되고 있다.
현재 방전가공기 전극선으로 가장 보편적으로 사용되고 있는 재료는 65%동(Cu)-35%아연(Zn) 합금인 황동선이지만, 특히 절삭속도를 요하는 경우에는 강철선이나 황동선의 표면에 아연(Zn)을 도금한 아연 도금선이 사용되고 있다.
그리고 가장 많이 사용되는 전극선의 선경은 Ø0.20∼0.30mm가 주류를 이루나 높은 정밀가공을 요하는 경우에는 마무리용으로 Ø0.1mm 이하의 전극선이 사용되고 있다.
지금까지 밝혀진 바에 의하면 방전가공기 전극선재로서, 절삭속도를 좌우하는 요소는 선재의 합금성분 중에 아연(Zn)의 함량으로, 아연의 함량이 높을수록 선재의 제조에 어려움이 커서, 일반 선재의 표면에 아연을 도금하여 사용하고 있다.
이는 방전시 발생되는 열이 증발하는 아연(Zn)과 함께 소모되기 때문이며, 합금중에 아연(Zn)의 함량이 높을 수록 그 만큼 방열효과도 큰 것으로 확인되고 있다.
그러나 아연도금선의 경우는 사용 중에 아연의 분말이 많이 발생하여 냉각액을 쉽게 오염시키며, 이를 관리하지 않으면 구멍 막힘 현상이 자주 나타나 작업성이 원활치 못한 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 선재를 만드는 냉간인발 공정중에서 중간 소둔열처리시에 재결정립의 성장을 억제시켜 지속적으로 결정립을 미세하게 유지하여 강도와 인성을 향상시키며, 아연(Zn)의 함량을 40% 이상으로 높임으로써 절삭속도가 기존의 황동 2 종(65%Cu-35%Zn)에 비하여 월등히 개선하여 절삭시 과열에 의한 피절삭면의 변색의 방지나 표면조도를 개선하여 상품성을 높일 수 있는 방전가공기(Energy Discharge Machine : EDM) 전극선용 동(Cu)-아연(Zn)-세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프로메티움(Pr) 합금을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 아연(Zn) 함량과 첨가원소의 효과를 최대한 이용하기 위해 방전가공 전극선용 합금에 있어서, 41 ∼ 45.0 wt%(중량 백분율)아연(Zn)과, 총합량의 범위를 0.05 ∼ 2.0 wt%(중량 백분율)로 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr)을 혼합한 복합금속상태의 미쉬메탈과, 나머지는 구리(Cu)로 조성한 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr) 등을 첨가함으로써 재료의 강도와 가공성을 개선하였고, 아연(Zn)의 함량을 높인 새로운 방전가공기 전극선의 개발로 절삭속도를 향상하였고, 금형의 정밀도를 높일 수 있는 Ø0.1mm 이하의 세선의 가공도 용이하게 하였다.
상기 첨가원소인 천이원소 중에서 세리움과 란탄은 미세결정제어에 효과가 우수한 것으로 나타났으며, 세리움과 란탄을 주성분으로 하고 니오디미움과 프로메티움을 부성분으로 하는 미쉬메탈을 직접 사용할 수도 있으며, 이는 저렴하면서도 구하기가 용이합니다.그리고 이들 원소들은 복합적으로 합성된 경우에 좋은 효과를 발휘했다.
본 발명의 경우에 세선까지의 인발성과 재료의 강도를 향상시키기 위한 수단으로 인고트의 주조조직에서부터 가공조직에 이르기까지 결정립을 미세화 시키기 위한 접종재로서 효과가 우수한 천이원소들이다.
본 발명은 상기 한정한 범위 이하에서는 효과가 거의 없고, 그 이상에서는 불순물과 같이 오히려 기계적 성질에 악영향을 미치므로 그 수치를 한정하였다.
상기와 같은 합금을 제조하는 방법은 최종적으로 선재를 만드는 단계에 사용되는 주괴의 주조방법에 따라 금형에 주조하여 압출가공을 거치는 방법과 연속주조하여 압출가공을 거치지 않는 방법으로 나뉘어지는데 다음과 같다.
먼저 금형 주조에 의한 주괴제조단계를 거치는 방법을 살펴보면,
목표로하는 합금성분에 따라 각각의 첨가원소들을 41 ∼ 45.0 wt%(중량 백분율)아연(Zn)과, 총합량의 범위를 0.05 ∼ 2.0 wt%(중량 백분율)로 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr)을 혼합한 복합금속상태의 미쉬메탈과, 나머지는 구리(Cu)로 조성되도록 각각 평량하는 평량단계와,
상기 평량단계 후 먼저 동(Cu)을 용해하여 완전히 용해되면 용탕의 가열을 멈춘 후, 평량된 아연(Zn)량을 적층하여 장입함으로써 용해하기 좋도록 한 덩어리씩 용탕 깊숙히 플런저로 장입하여 용탕 속에서 반응시킴으로써 아연(Zn)의 산화를 최대한 억제하며 용해합금하며 계속하여 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr)을 혼합한 복합금속상태의 미쉬메탈을 같은 방법으로 투입하여 용해합금하는 용해합금단계와,
용해합금한 용탕을 1050∼1200℃까지 다시 가열한 후, 금형에 주조하여 슬라브 상태의 주괴로 제조하는 주괴제조단계와,
주괴제조단계를 거친 주괴를 열간압출 후 소둔처리와 냉간인발을 반복하여 선재를 제조하는 선재제조단계와,
선재제조단계를 거친 최종의 선재를 잔류응력을 제거함과 동시에 강화효과를 주어 직선성과 탄성이 좋은 상태의 방전가공기용 전극선이 되도록 180∼200℃ 정도의 온도에서 소둔하는 소둔 단계를 거친다.
또한 연속주조에 의한 주괴제조단계를 거치는 제조방법을 살펴보면,목표로하는 합금성분에 따라 각각의 첨가원소들을 41 ∼ 45.0 wt%(중량 백분율)아연(Zn)과, 총합량의 범위를 0.05 ∼ 2.0 wt%(중량 백분율)로 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr)을 혼합한 복합금속상태의 미쉬메탈과, 나머지는 구리(Cu)로 조성되도록 각각 평량하는 평량단계와,상기 평량단계 후 먼저 동(Cu)을 용해하여 완전히 용해되면 용탕의 가열을 멈춘 후, 평량된 아연(Zn)량을 적층하여 장입함으로써 용해하기 좋도록 한 덩어리씩 용탕 깊숙히 플런저로 장입하여 용탕 속에서 반응시킴으로써 아연(Zn)의 산화를 최대한 억제하며 용해합금하며 계속하여 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr)을 혼합한 복합금속상태의 미쉬메탈을 같은 방법으로 투입하여 용해합금하는 용해합금단계와,
용해합금한 용탕을 1050∼1200℃까지 다시 가열한 후, 연속주조에 의해 연속적인 선재상태의 주괴로 제조하는 연속주조단계와,
이를 가지고 직접적으로 소둔처리와 냉간인발을 반복하여 선재를 목표로하는 선경으로 인발하여 제조하는 선재제조단계와,
선재제조단계를 거친 최종의 선재를 잔류응력을 제거함과 동시에 강화효과를 주어 직선성과 탄성이 좋은 상태의 방전가공기용 전극선이 되도록 180∼200℃의 온도에서 소둔하는 소둔 단계를 거친다.
다음의 표 1은 본 발명에서 제시하는 합금들의 예이며, 표 2와 표 3은 제시하는 합금들을 소둔 및 소둔 후 냉간가공하였을 경우에 나타내는 인장강도와 연신율 특성이다.
여기서 보면, 제시하는 동-아연 합금계에 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr) 등의 첨가는 강도와 연성을 향상시키고 있다.이하는 본 발명의 조성범위중 몇개의 실시예 및 비교조성물의 실시예를 나타낸 비교표이다. '*'는 본 발명의 목적에 부합하는 조성범위에 해당되는 것이다, 하지만 이러한 '*'의 조성범위 모두를 본 발명에서 청구하고 있지는 않다.
표 1. 합금의 종류 및 성분조성(wt %)
합 금 명 Cu Zn Ce La Nd Pr (MS)
* CZ30MS.3 나머지 30 0.16 0.08 0.04 0.015 (0.3)
CZ35 나머지 35 - - - - -
* CZ35MS.1 나머지 35 0.05 0.03 0.01 0.005 (0.1)
* CZ35MS.3 나머지 35 0.16 0.08 0.04 0.015 (0.3)
* CZ35MS.5 나머지 35 0.26 0.13 0.07 0.025 (0.5)
* CZ35MS1 나머지 35 0.52 0.26 0.14 0.050 (1.0)
CZ40 나머지 40 - - - - -
* CZ40MS.3 나머지 40 0.16 0.08 0.04 0.015 (0.3)
CZ42 나머지 42 - - - - -
* CZ42MS.3 나머지 42 0.16 0.08 0.04 0.015 (0.3)
표 2. 합금의종류 및 인장강도(MPa)
합 금 명 850℃에서 소둔상태 10% 인발 후 190℃에서 템퍼링 상태 35% 인발 후 190℃에서 템퍼링 상태 54% 인발 후 190℃에서 템퍼링 상태
* CZ30MS.3 359 384 596 656
CZ35 397 422 567 630
* CZ35MS.1 402 420 566 632
* CZ35MS.3 399 446 584 648
* CZ35MS.5 406 449 599 659
* CZ35MS1 404 453 596 650
CZ40 428 448 518 530
* CZ40MS.3 489 548 602 633
CZ42 450 508 550 -
* CZ42MS.3 493 557 613 -
표 3. 합금의 종류 및 연신율(%)
합 금 명 850℃에서 소둔상태 10% 인발 후 190℃에서 템퍼링 상태 35% 인발 후 190℃에서 템퍼링 상태 54% 인발 후 190℃에서 템퍼링 상태
* CZ30MS.3 46 19 10 4
CZ35 36 28 12 6
* CZ35MS.1 39 25 16 6
* CZ35MS.3 39 28 16 8
* CZ35MS.5 40 29 16 11
* CZ35MS1 37 29 15 11
CZ40 11 10 10 6
* CZ40MS.3 21 18 14 12
CZ42 10 12 5 -
* CZ42MS.3 20 17 8 -
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 -한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 종래 65Cu-35Zn 합금에 비해 Zn을 35-45%로 증가시킨 동(Cu)-아연(Zn) 황동합금에 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr)로 혼합된 복합금속상태의 미쉬메탈을 미량 첨가하여 분산고용시킴으로써, 이들이 합금이 응고시 응고핵으로 작용하여 균일 미세한 주상정을 얻음으로써 나타나는 높은 연성으로 인하여 열간 및 냉간가공성을 개선하고, 용탕의 청정도를 높였으며 아연당량, 강도 및 인성 등을 개선한 새로운 합금으로, Zn의 함량 및 당량증가 효과로 절삭속도가 개선되었고, Ø 0.25 mm 전극선을 사용하는 경우에 피절삭물의 표면거칠기가 3 Øm 이내로 개선된 등의 장점이 있으며, 절삭속도가 종래의 전극선인 황동 2종에 비하여 더욱이 절삭속도가 50-75% 향상되었고, 절삭시 과열에 의한 피절삭면의 변색을 방지하여 상품성을 높인 등의 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 방전가공 전극선용 합금에 있어서,
    41 ∼ 45.0 wt%(중량 백분율)아연(Zn)과, 총합량의 범위를 0.05 ∼ 2.0 wt%(중량 백분율)로 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd) 및 프로메티움(Pr)를 혼합한 복합금속상태의 미쉬메탈과, 나머지는 구리(Cu)로 조성된 것을 특징으로 하는 방전가공기 전극선용 동(Cu)-아연(Zn)-세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프로메티움(Pr) 합금.
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